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對于現(xiàn)代電子設(shè)備來說，是選擇電池還是超級電容器？
超級電容器為能源儲存市場帶來的好處是巨大的。但只有少數(shù)設(shè)計人員注意到這種小巧但又強(qiáng)大的元器件。也許這就是為什么一些分析家認(rèn)為超級電容器仍是一個小眾市場，因較高的價格水平和缺乏對行業(yè)的了解而導(dǎo)致無法大規(guī)模采用。但越來越多的分析家發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備作為一項成熟技術(shù)已得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
Transparency Market Research (TMR) 報告中說，亞太地區(qū)已于2012年超越了其他所有地區(qū)市場，成為全球超級電容器的主要制造地區(qū)。在再生制動、HEV、微型混合動力/啟停系統(tǒng)和航空航天/軍事應(yīng)用中的發(fā)展刺激了超級電容器技術(shù)的增長。這些新的創(chuàng)新應(yīng)用預(yù)計能在未來幾年內(nèi)大幅推動全球超級電容器市場。
超級電容器，也被稱為超電容或電子雙層電容器 (EDLC)，在能源儲存系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。Tesla Motors 的 CEO Elon Musk 認(rèn)為這些電容器甚至?xí)?/font>“取代”電池技術(shù)。是什么讓超級電容器有別于其更加常見的同類產(chǎn)品？與電池和燃料電池相比如何？這些增強(qiáng)型電容器的發(fā)展市場和應(yīng)用空間如何？本文將解答這些問題。
超導(dǎo)體的差異
超級電容器是一種電化學(xué)電容器，其能量密度比傳統(tǒng)電容器大一個數(shù)量級。在單位體積的電容器中儲存的能量被稱為能量密度。能量密度的計量方式為基于體積的（每單位體積）每升瓦特小時 (Wh/l)。
相比電池，超級電容器具有較低內(nèi)阻，這意味著可實現(xiàn)高功率（圖1）。功率密度是指能量輸送到負(fù)載/從負(fù)載吸收能量的速度。
圖 1：超級電容器的最大功率
超級電容器的另一個優(yōu)勢是充電和放電速度快。這些設(shè)備通過吸收和釋放離子來實現(xiàn)充電和放電。這是由于超級電容器的內(nèi)部串聯(lián)電阻較低，可在不損壞零件的情況下實現(xiàn)大電流充放電。
超級電容器的兩個主要缺點(diǎn)是每個電池的電壓較低，以及不適合交流和高頻電路。根據(jù)超級電容器的材料成分，電池電壓負(fù)載可從 2.1 V 到 4 V。但典型值為 2.7 V。如果應(yīng)用需要更高的電壓，那么必須串聯(lián)多個電池。
由于時間常數(shù)問題，超級電容設(shè)備不是特別適合交流和高頻電路。對于超級電容器，RC 時間常數(shù)具有不同的含義，與普通電容器中所指的過濾器不同。
利用 RC 時間常數(shù)的一種方式是作為電容器充放電所需時間的計量單位。這些時間對于使用電容器來儲存能量的電源和能源應(yīng)用來說很重要。傳統(tǒng)電容器的 RC 時間常數(shù)大致為數(shù)微秒到數(shù)十微秒。相反，超級電容器的 RC 時間常數(shù)大約為 1 秒。這個響應(yīng)時間更慢是因為電容更大（法拉）。
不過，電容更大讓超級電容器十分適合儲存能量。相比其他儲能設(shè)備—如電池—超級電容器的速度非?？?。這使得它們十分適合需要儲存和釋放快速激增能量的應(yīng)用，如再生制動。
“曾經(jīng)，電容器的‘能量儲存’能力相比電池來說微乎其微，從來沒有認(rèn)真考慮過將其作為電池的替代品，”Synopsys 科學(xué)家 Jamil Kawa 說道。.“超級電容器大大提高了單位體積的能量儲存能力。它尚未達(dá)到電池或燃料電池的儲能能力，但考慮到它有一些優(yōu)于電池的特性，因此競爭力已經(jīng)與電池十分接近。”
電池長期以來一直都是能量儲存標(biāo)準(zhǔn)。它們怎么會被電容器打??？就算是‘超級’電容器也不太可能吧？首先，電池在幾百或上千次循環(huán)之后變會失去充電能力。但是，在實際使用中，電容器具有無限的充放電循環(huán)壽命。
其次，電容器的內(nèi)阻比電池低得多。它們提供的瞬時功率（每單位時間的能源）比電池高。“這一點(diǎn)很重要，”Kawa 解釋說。“盡管電池的能量含量比同等超級電容器高，但后者可提供更高的瞬時功率。”
最后，對于具有能量收集機(jī)制的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 應(yīng)用，將這種性能強(qiáng)大的儲能設(shè)備整合到芯片中的能力是一個非常重要的要求。超級電容器和微型電池是滿足這些需求的理想之選。
超級電容器對比其他儲能技術(shù)
超級電容器相比電池，甚至是燃料電池等其他儲能設(shè)備如何？圖 2 提供了直觀的對比，電池和超級電容器的每一類別對應(yīng)功率密度/能量密度矩陣。燃料電池的能量密度最高，但功率密度很低。電池總的來說比超級電容器的能量密度要高，但超級電容器緊隨其后，功率密度比電池高一些。
圖 2：片上儲存解決方案中的可充電電池對比超級電容器
應(yīng)用
如今，超級電容器可用于穩(wěn)定波動負(fù)載以及為移動電子產(chǎn)品快速充電。此外，這些電容設(shè)備可作為電源緩沖，具有緩解電壓波動等功能。
大型超級電容器正越來越多地用于需要初始高扭矩的工業(yè)應(yīng)用。小型超級電容器，尤其是可以繼承在小型模塊中的那些超級電容器，將為不可更換電池的應(yīng)用充電，如能量收集應(yīng)用。
在大多數(shù)應(yīng)用中，超級電容器將不會取代電池，但有可能與之共存。根據(jù) Kawa 的說法，超級電容器設(shè)備將用于需要高水平瞬時功率的情況，以及與能量收集技術(shù)一樣的快速充電應(yīng)用。無法穩(wěn)定提供可再生能源時，將需要使用電池來應(yīng)對“黑暗時期”。
